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半导体的物质结构 ​ 半导体材料的特性

08-02 14:41:17

半导体的主要材料

自然界中,硅(Si)、锗(Ge)、砷(As)、碲(Te)等都是半导体物质,制造二极管主要是用硅和锗。这里以硅为例,先讨论物质结构及特性,然后深入研究PN结及其特性。

半导体的物质结构

物质由分子或原子构成,分子也由原子构成。下面简介半导体物质的原子结构。

1.半导体的原子结构

(1)原子结构图

根据原子结构理论,原子是由原子核和核外电子组成的,即

半导体的物质结构 ​ 半导体材料的特性

图1-1(a)、(b)所示分别为硅、锗的原子结构示意图。图中,实线圆表示位于原子中心的原子核;虚线圆上的黑点表示核外按层次排布的电子;虚线圆表示电子围绕原子核运动的轨迹。原子核与电子都带电,电子带负电,原子核带正电。

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(汽车维修技术网 原创 https://www.QcwxJs.com/)

图1-1 硅、锗的原子结构示意图

原子结构图中通常只画出电子和原子核,并在原子核内标出核电荷数,用“+”表示原子核带正电。图1-1(a)中,单个硅原子中有14 个带负电荷的电子,原子核正电荷数也为14。原子结构图表明,整个原子保持电中性。

原子核又是由质子和中子组成的。一个质子带一个基本电荷的正电,呈现正电性;中子不带电荷,不显电性。原子核的核电荷数由质子数决定,正常情况下,质子正电荷数跟核外电子数相等。若按核电荷数由小到大的顺序对元素进行编号,这个编号就是原子序数。原子序数、核电荷数、核内质子数、核外电子数有如下关系:

原子序数=核电荷数=核内质子数=核外电子数

(2)核外电子的运动

电子是带负电的微小粒子,位于原子核外,不停地运动。电子运动与普通物体运动状态不同,同时具有多种运动形式,一是电子本身做自转运动,二是电子在一定范围内不停地绕原子核做圆周运动。

电子不停地绕原子核做圆周运动的同时,还在直径约10−10m的空间内做高速运动,如图1-2所示。在这很小的空间内,电子运动没有确定的轨道,但这个小空间却与原子核保持一定距离,并绕核运动。小空间绕核运动的区域,称为电子运动层,简称电子层。硅原子有三层电子层。

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图1-2 硅原子的核外电子层

(3)核外电子的排布层

研究表明,原子中电子的排布遵循如图1-2所示的规律。

研究还表明,每一电子层上电子个数是确定的,为2n2个。其中,n=1、2、3、4、5、6,表示电子层数。据此,就可算出每一电子层中的电子个数,也可描画出单个原子结构图。当最后一层电子数不足2n2 个时,就为所剩数。例如,硅原子最后一层的电子数是14−(2+8)=4。

硅、锗原子的电子排布情况如图1-1与表1-1所示。

表1-1 硅和锗原子的电子排布

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(4)核外电子的能量

原子核带正电,它将带负电的电子吸引在其周围,有的电子距原子核近,有的距原子核远。电子不停地绕核做圆周运动时,如果电子动能增加,离心力会增大,电子将克服原子核的吸引力,向远离原子核的电子层移动。相反地,动能小的电子,受原子核吸引力大,将被吸到离原子核较近的电子层上。因此,常将电子层叫做电子能级层。

在同一电子层中,电子能量有差别。据此,可把每一电子层再分成一个或几个亚电子层,这里不做深入讨论。从图1-2中可以看出,在同一电子层上,有的电子处在电子层内边缘,有的处在电子层中部,有的则处在电子层外边缘。

电子在核外正常排布时,总是尽量先占有能量最低的能级层(K层)。最低能级层占满后,便依次占有能量较高的能级层(L……层),这样的原子结构最稳定。

还应指出,特殊情况下,如果电子从外界获得额外能量(如温度升高时电子能获得额外能量)会从低能级层移动到高能级层。原子上述特点,是分析PN结特性的基础。

2.半导体的原子结合

原子可以结合成分子,构成物质,它是相邻原子之间通过化学键连接而成的稳固结构,要破坏这种连接就要消耗比较大的能量,这就是原子之间相互结合的主要因素。

化学键的类型主要有离子键、共价键、金属键等,不同物质的原子之间是依靠不同的化学键来结合的。例如,氯化钠的原子之间通过离子键连接;金属原子之间通过金属键连接;硅物质的原子之间通过共价键连接。由于只讨论半导体,所以下面只介绍共价键。

共价键是原子间通过“公用电子对”形成的,这种化学键能将相邻原子牢固地连接在一起。要了解共价键,应先明确“价电子”和“公用电子对”的概念。

原子最外层电子叫做价电子。硅原子最外层有四个价电子,所以称为四价元素。

原子外层有8 个电子时状态比较稳定,而单个硅原子最外层只有4 个电子,属非稳定状态。硅原子构成硅物质后,每个原子都吸引相邻原子最外层电子,以使自己趋于稳定状态。如图1-3所示,中间那个原子,一方面要吸引四个相邻原子的最外层电子到它的最外电子层,使自己趋于稳定状态。另一方面,它的最外层4个电子,也时常被吸引到相邻原子最外电子层,使其他原子趋于稳定状态。这样中间原子就与4个相邻原子形成了4个公用电子对。图中用椭圆圈起来的两个电子,就是公用电子对。

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图1-3 硅的共价晶体结构图

虽然电子对中两个电子可以出现在相邻原子最外电子层上,但两个电子并不会随意松散分开。这种公用电子对会使相邻原子牢固地联系在一起。可见,这是一种特殊形式的连接,是通过公用价电子实现的,因此将原子间这种连接叫做共价键连接。由上述可知,硅原子间是以共价键结合的。

3.半导体的晶体结构

根据物质中原子(分子)的排列形式,可分为晶体和非晶体两类。原子规则排列的物质称为晶体,原子无规则排列的物质称为非晶体。

图1-4是金刚石内原子排列的示意图,是有规则的晶体结构。

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图1-4 金刚石内原子排列的示意图

根据晶体中原子(分子)的种类及之间的不同作用,可把晶体分成离子晶体、分子晶体、原子晶体和金属晶体等若干类型。氯化钠以离子晶体形态存在,干冰以分子晶体形态存在,金属以金属晶体形态存在,半导体则以原子晶体形态存在。

用来制造二极管的硅或锗都是晶体,都是以共价键结合的,所以也称为共价晶体。

(1)原子晶体

在金刚石晶体里,每个碳原子都被4 个相邻碳原子包围着,并以共价键跟相邻4 个碳原子结合,成为正四面体结构,其共价键长为1.55×10−10m,键角为109°28′。正四面体结构向空间发展,便构成一种坚实、彼此联结的空间网格晶体,如图1-4所示。这种相邻原子之间以共价键相结合,形成空间网格结构的晶体,叫做原子晶体。硅、锗晶体都是原子晶体。

(2)单晶体与多晶体

按照整块晶体内部结构排列方向是否完全一致,晶体分为单晶体和多晶体。单晶体中的结构趋向完全一致,如图1-5(a)所示。多晶体中各部分晶体结构的趋向不完全一致,如图1-5(b)所示。多晶体不能直接用来制造晶体管元件,必须在单晶炉内炼成纯净、没有结构缺陷与差异的单晶体,才能用来制造二极管、三极管等半导体器件,因此也称二极管为晶体二极管。

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图1-5 半导体的晶体结构示意图

 半导体材料的特性

1.半导体的导电性能

物质按导电能力的差别分为导体、半导体和绝缘体三类。银、铜、铝、铁等容易导电,称为导体;橡皮、塑料、陶瓷、玻璃等很难导电,称为绝缘体。

自然界中还有一类物质,如硅(Si)、锗(Ge)等,它们的导电性能介于导体和绝缘体之间,常把这类物质称为半导体。半导体材料有很多种,除硅、锗外,还有砷、硒等单质以及砷化镓(GaAs)、磷砷化镓(PGaAs)等化合物。

2.半导体的电阻率

导体的电阻率很小,一般为10−3~10−6Ω•cm,因此导体容易导电。绝缘体的电阻率很大,一般为108~1020Ω•cm,因此绝缘体很难导电,或者说不能导电。

半导体的电阻率介于导体和绝缘体之间,一般为10−3~108Ω•cm。这表明半导体导电能力有一个较宽的范围,这是因为半导体外部条件改变(温度变化)时,其内部载流子(导电粒子)密度会随之改变,导致电阻率发生变化。电阻率变小时,导电能力增强;电阻率变大时,导电能力减弱。在外界条件变化时,导体与绝缘体的电阻率虽然也有所改变,但不如半导体变化显著。

3.半导体中的电子载流子

不同物质电阻率差异的根本原因在于物质内部原子结合的方式、原子本身的结构及其内部运载电荷的粒子多少和运动速度不相同。运载电荷的粒子叫载流子。

比较来说,金属外层电子受原子核束缚力最小,因此有大量电子能挣脱原子核的束缚成为自由电子。自由电子就成为运载负电荷的载流子,称为“电子载流子”。它们在外电场作用下做定向运动形成电流,所以金属导电性能良好。

绝缘材料中,原子最外层电子受原子核束缚力很大,不容易挣脱出来,形成自由电子的机会非常小,不能形成电子载流子。这一特点决定了绝缘材料的电阻率很高。

半导体原子结构较特殊,其外层电子不像导体那样容易挣脱,也不像绝缘体那样束缚很紧,这就决定了半导体的载流子和导电特性介于导体和绝缘体之间。这是区别导体、半导体、绝缘体导电能力的本质。

硅、锗是制造半导体器件用得最多的两种材料,在载流子密度方面,当室温和外界条件相同时,锗材料中载流子密度比硅材料中载流子密度大一千多倍。也就是说,硅比锗的电阻率大一千多倍。现在多以硅材料来制造二极管、三极管、晶闸管和场效应管等半导体器件。

4.半导体中的空穴载流子

半导体还有一个特性,就是它不仅有电子载流子,还有“空穴载流子”。

由图1-3 可知,两个相邻硅原子间,都以共价键结合,其中两个公用电子称为“电子对”,也叫价电子。电子对中任何一个电子,一方面绕自身原子核运动,另一方面也时常跑到相邻原子最外电子层上,这是共价键中电子对的特点。

半导体硅在热力学温度为0K和没有外界影响的条件下,通常不产生自由电子。但在温度升高或受到光线照射时,其共价键中价电子便能从外界获得足够大的能量,挣脱原子核束缚成为自由电子。自由电子离开原来位置后,就留下一个空位,称为“空穴”,如图1-6 所示。在共有化运动中,因为存在着空穴,附近的公用电子很容易跑过来填补空穴,从而形成电子载流子。另外,电子移动相当于空穴在向相反方向移动,为了区别这一点,就把空穴的移动叫做空穴运动。无论是从效果上看,还是从现象上看,空穴运动都是存在的。空穴运动同样形成电流,通常叫做空穴电流。

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图1-6 热运动的电子-空穴对

需要指出,在没有外加电场作用下,半导体中自由电子运动和空穴运动都是无规则的,平均位移为零,并不产生电流。外加电场后,自由电子将沿逆电场方向运动,同时空穴也等效地沿电场方向运动。这表明,空穴也是一种载流子,称为空穴载流子,它能运载正电荷形成空穴电流。空穴形成电流的方向与电子形成电流的方向相反。

半导体外加电压时,形成的电流可以看做两部分。一部分是电子定向运动形成电子电流,另一部分是空穴等效运动形成空穴电流。这是半导体导电的一个重要特性。

5.电子–空穴对及其特性

(1)电子–空穴对的产生与复合

物质总是不停地运动,在室温为27℃(300K)条件下,硅和锗中电子能量将增大,一部分价电子能挣脱原子核束缚,使半导体里不断产生自由电子和空穴。因此,电子和空穴总是相伴而生、成对出现,通常称之为“电子–空穴对”。

在纯净半导体中,外界条件改变时,将不断地产生电子–空穴对,这一过程称为产生。另一方面,自由电子与空穴在运动过程中又会相遇,电子释放能量填补到空穴中,恢复原子结合的共价键,这样电子–空穴对又消失了,这一过程称为复合。

电子–空穴对的产生与复合,是半导体中电子热运动产生的必然结果。

(2)电子–空穴对产生和复合的动态平衡

在一定温度下,如果没有其他外界条件影响,电子–空穴对的产生、复合会达到相对的动态平衡,使载流子浓度保持为一定的热平衡值。这时,产生和复合虽然仍在进行,但产生的载流子数与复合的载流子数相等,两者相互抵消,使得载流子浓度的热平衡值不变,电子–空穴对始终维持一定数目。

温度升高时,产生的载流子数增多,随着载流子数量增多,复合的载流子数也跟着增多,最后载流子在较大浓度值下达到新的动态平衡。

另外,半导体在温度保持不变但受到光线照射时,产生载流子数量将比无光照时多,复合的数量也随着增多,最后载流子将在大于该热平衡的浓度值下,达到新的动态平衡。

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